DE10016803B4

DE10016803B4 - Verfahren zum Herstellen von Bauteilen

Info

Publication number: DE10016803B4
Application number: DE10016803A
Authority: DE
Inventors: Tino Dipl.-Ing. Gruszka; Franz-Josef Dr.-Ing. Lenze
Original assignee: ThyssenKrupp Steel AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2020-04-06
Also published as: EP1268099A1; CA2397967A1; AU2001262167A1; EP1268099B1; PT1268099E; ES2240458T3; CZ296757B6; US20030140672A1; CZ20023284A3; BR0109782A; WO2001076787A1; DE10016803A1; PL365699A1; US6832501B2; JP2003530220A; CN1418137A; DE50105689D1; ATE291506T1; MXPA02009845A

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus einer aus einem tiefziehfähigen Material, insbesondere Stahl, bestehenden Platine (P1 – P4) unter Verwendung eines fließfähigen Wirkmediums, bei dem folgende Schritte durchlaufen werden:
– Spannen der Platine (P1 – P4) in einer Umformeinrichtung (U1,U2), in welcher die Platine (P1 – P4) mit dem Wirkmedium beaufschlagt wird;
– Vorformen der Platine (P1 – P4) durch Erhöhen des von dem Wirkmedium ausgeübten Drucks (P) in einem Bereich der Platine (P1 – P4), welcher auf einen Teilabschnitt (V1,V2) der Platinenfläche beschränkt ist und den Flächenabschnitt (B1,B2) der Platine (P1 – P4), aus dem die Endform des Bauteils erzeugt wird, teilweise überdeckt, sowie
– Fertigformen der vorgeformten Platine (P1 – P4) mittels eines Formwerkzeugs (F1,F2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus einer aus einem tiefziehfähigen Material, insbesondere Stahl, bestehenden Platine unter Verwendung eines fließfähigen Wirkmediums.
Für die Herstellung von komplexen Bauteilen mit verbesserten Bauteileigenschaften unter Ausnutzung der Eigenschaften des jeweils verwendeten Platinenmaterials eignet sich einerseits das Umformen von Einzelplatinen mit Hilfe von flüssigen Wirkmedien und andererseits das Innenhochdruckumformen verschweißter Platinen oder ähnlicher Hohlkörper. Bei der Umformung von einfachen Platinen unter Verwendung von Wirkmedien werden die Platinen in der Regel mittels eines Stempels oder eines vergleichbaren Formwerkzeugs in ihre Endform gebracht, wobei das jeweils eingesetzte Formwerkzeug (Stempel oder Matrize) gegen einen von einem Fluidpolster aufgebrachten Stützdruck arbeitet. Beim Innenhochdruckumformen wird dagegen ein zwischen den Platinen bzw. in dem Hohlkörper vorhandener Hohlraum mit Druckflüssigkeit gefüllt und mit hohem Druck beaufschlagt. Durch den so erzeugten Innendruck wird das jeweilige Werkstück in die durch eine das Werkstück umgebende Matrize vorgegebene Form gepreßt.
Bei der Fertigung von tiefgezogenen oder innenhochdruckumgeformten Teilen mit komplizierten Geometrien ist in vielen Fällen die Herstellung von Zwischenformen erforderlich, da die Endkontur nicht in einem Umformschritt erzeugt werden kann. Die Zwischenform wird dabei in der Regel in Werkzeugen erzeugt, die unabhängig von dem zur Herstellung der Endform verwendeten Werkzeug arbeiten. Diese Aufteilung der Werkzeuge und Arbeitsschritte erhöht die erforderlichen Investitionskosten erheblich und führt infolgedessen zu einer Erhöhung der mit der Herstellung von Bauteilen der in Rede stehenden Art verbundenen Kosten.

Neben dem eben voranstehend erläuterten Verfahren zur Herstellung von Zwischenformen mit zusätzlichen Werkzeugen werden derartige Zwischenformen in der Praxis auch durch hydromechanisches Umformen hergestellt ( DE 196 24 036 A1 , DE 197 17 953 A1 ). Bei diesem Verfahren wird die umzuformende Platine vor der Hauptumformung mittels des Wirkmediums im eigentlichen Umformwerkzeug vorgeformt. Erst nachdem die Vorverformung abgeschlossen ist, findet die eigentliche Fertigumformung statt, bei der die Enform des Werkstücks erst erreicht wird. Um dies zu erreichen entspricht die Vorformgeometrie in der Regel mindestens dem Umriß des formgebenden Werkzeugelements. Diese Vorgehensweise bei der Vorverformung erweist sich in vielen Fällen als ungünstig im Hinblick auf die anschließende Hauptumformung. Diesem Nachteil steht jedoch der Vorteil gegenüber, daß in der Bauteilmitte höhere Formänderungen erzielt werden können, so daß gezielt Verfestigungen erzeugt und die Werkstoffeigenschaften besser ausgenutzt werden können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit welchem sich komplex geformte Bauteile unter optimierter Nutzung der Eigenschaften des verwendeten Werkstoffs herstellen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der der eingangs angegebenen Art gelöst, bei dem folgende Schritte durchlaufen werden:

– Spannen der Platine in einer Umformeinrichtung, in welcher die Platine mindestens auf einer Seite mit dem Wirkmedium beaufschlagt wird;
– Vorformen der Platine durch Erhöhen des von dem Wirkmedium ausgeübten Drucks in einem Bereich der Platine, welcher auf einen Teilabschnitt der Platinenfläche beschränkt ist und den Flächenabschnitt der Platine, aus dem die Endform des Bauteils erzeugt wird, teilweise überdeckt, sowie
– Fertigformen der vorgeformten Platine mittels eines Formwerkzeugs.

Gemäß der Erfindung werden aus der Platine in einem ersten Arbeitsschritt partiell vorgeformte Halbzeuge unter Verwendung von fließfähigen Wirkmedien in einer geeigneten Umformvorrichtung erzeugt. Aus diesem vorgeformten Halbzeug wird dann die endgültige Form des Bauteils geformt.

Dabei erfolgt die Vorformung jeweils nur in einem begrenzten Bereich der Platine. Das Vorformen dient somit anders als beispielsweise bei einem mehrstufigen Tiefziehen von Bauteilen nicht zur Ausbildung bestimmter Formelemente, welche in einem weiteren Arbeitshub zur Endform geformt werden, sondern es wird eine Vorform erzeugt, die hinsichtlich der Materialverformung und -verteilung sowie der Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften optimal für die geforderten Eigenschaften des schließlich herzustellenden Bauteils vorbereitet ist. So wird die Vorform erfindungsgemäß nur in den Bereichen erzeugt, in denen diese im Hinblick auf die geometrischen (Abwicklung) und/oder bauteilspezifischen Eigenschaften (Festigkeit) erforderlich sind.

In Abhängigkeit von den an das Endprodukt gestellten Anforderungen kann die Vorverformung der Platine ohne oder mit Hilfe einer Gegenform erfolgen. Die Vorverformung ohne Gegenform hat den Vorteil, daß das Material der Platine bei der Vorverformung ungehindert fließen kann, so daß beispielsweise eine optimierte Festigkeit der Vorform erzielt wird. Die Verwendung einer Gegenform hat demgegenüber den Vorteil, daß die Vorform auch hinsichtlich ihrer räumlichen Ausgestaltung optimal für die zu erzeugende Endform vorbereitet werden kann. Dabei kann ein Kompromiß zwischen dem freien und dem vollständigen Umformen in einer Gegenform dadurch gefunden werden, daß der vorgeformte Bereich der Platine am Ende der Vorverformung nur in einem Teilbereich an der Gegenform anliegt, während in dem anderen Teilbereich eine freie Verformung stattfindet.

Die Umformung der vorgeformten Platine zu der Endform des Bauteils erfolgt vorzugsweise gegen einen von einem Wirkmedium ausgeübten Stützdruck. Auf diese Weise läßt sich auf schonende Weise ein exakt geformtes, hochwertiges Bauteil herstellen, welches aufgrund der schonenden Verarbeitung optimierte mechanische Eigenschaften und ein gutes optisches Erscheinungsbild aufweist.

Die erfindungsgemäß vorgeformten Platinen lassen sich vor der Fertigverformung zur Endform des Bauteils miteinander verbinden, so daß besonders großflächige Bauteile oder solche Bauteile gefertigt werden können, bei denen die Materialverteilung bzw. die Stärke des in den Bereichen der verschiedenen Platinen vorhandenen Materials gezielt an die im praktischen Einsatz örtlich jeweils auftretenden Belastungen des Bauteils angepaßt sind. Dabei können die Platinen stoff-, kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden. Alternativ können auch lose aufeinander liegende Platinen nach dem Vorformen gemeinsam in die Endform gebracht werden.

Hohlformen lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dann besonders einfach ausbilden, wenn zwischen den aufeinander liegenden und ggf. miteinander verbundenen, vorgeformten Platinen bereits ein Hohlraum vorhanden ist. Die so gebildeten Formen sind insbesondere geeignet, durch ein Innenhochdruckumformen in die Endform des Bauteils geformt zu werden, bei dem der Hohlraum während der Fertigverformung der Platinen zur Endform mit hohem Druck beaufschlagt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine aus Feinblech bestehende Platine in perspektivischer Ansicht;
2 ein aus der Platine geformtes Bauteil in einem Querschnitt;
3 die im Zuge des in 2 gezeigten Bauteils vorgeformte Platine im Querschnitt;
4 eine andere aus Feinblech bestehende Platine in perspektivischer Ansicht;
5 eine durch zwei vorgeformte Platinen der in 4 gezeigten Art gebildete Hohlform im Querschnitt;
6 eine andere durch zwei vorgeformte Platinen der in
4 gezeigten Art gebildete Hohlform im Querschnitt;
7 eine erste Einrichtung zum Vorformen von Platinen der in 1 oder 4 gezeigten Art im Querschnitt;
8 eine zweite Einrichtung zum Vorformen von Platinen der in 1 oder 4 gezeigten Art im Querschnitt;
9 eine erste Einrichtung zum Fertigformen von in Vorrichtungen der in 7 oder 8 dargestellten Art vorgeformten Platinen im Querschnitt;
10 eine zweite Einrichtung zum Fertigformen von in Vorrichtungen der in 7 oder 8 dargestellten Art vorgeformten Platinen im Querschnitt.
Im Zuge der Vorbereitung der in 1 und 4 gezeigten Platinen P1,P2 wird die jeweilige Platine P1,P2 in einzelne Bereiche B1,V1 bzw. B2,V2 unterteilt. Dabei wird unterschieden zwischen dem Bereich B1 bzw. B2, aus dem jeweils das fertigverformte Bauteil erzeugt wird, und dem Bereich V1,V2, in dem die Vorverformung der jeweiligen Platine P1,P2 vorgenommen wird.
Die Lage der zur Vorverformung vorgesehenen Bereiche V1 bzw. V2 der Platinen P1 bzw. P2 ist abhängig von der zu erzeugenden Geometrie des fertigen Bauteils. Für die Auslegung dieses Bereichs V1,V2 spielt daher das in 2 beispielhaft dargestellte Abwicklungsverhältnis über den Querschnitt des fertigen Bauteils eine entscheidende Rolle. Die Geometrie der in den 3 sowie 5 und 6 beispielhaft dargestellten partiell vorgeformten Platinen P1, P2 und P3 ist so auszulegen, daß in der dem Vorformen sich anschließenden Fertigformung, kein Versagen durch Materialüberbeanspruchung oder unzulässige Faltenbildung auftritt.
Der für die Vorverformung vorgesehene Bereich V1 bzw. V2 kann erforderlichenfalls innerhalb des Umrisses des Bereichs B1 liegen (3), aus dem das zu erzeugende Bauteil fertiggeformt wird. Dessen Kontur ist in 3 durch gestrichelte Linien angedeutet und entspricht der in 2 gezeigten.
Bei einer anders gearteten Geometrie oder anderen Anforderungen an die Eigenschaften des fertigen Bauteils kann es jedoch ebenso erforderlich sein, die Vorformung der Platine P2 in einem Bereich V2 vorzunehmen, der in Teilbabschnitten des jeweiligen Bereichs B2, aus dem das Bauteil fertiggeformt wird, hinausgeht (4). Eine vollständige Überdeckung des Bereichs B2 durch den für das Vorformen bestimmten Bereich V2 ist jedoch auch in diesem Fall nicht vorgesehen. Statt dessen findet die Vorverformung jeweils nur dort statt, wo eine entsprechende Vorbereitung der Platine P1 bzw. P2 für das nachfolgende Fertigformen zweckmäßig und erforderlich ist. Selbstverständlich ist die Anzahl der für das Vorformen vorgesehenen Bereiche dabei nicht auf eins beschränkt, sondern es können erforderlichenfalls mehrere derartige Vorform-Bereiche auf einer Platine bestimmt werden.
Zum Vorverformen der Platine P1 oder einer entsprechend der Platine P2 in einen vorzuverformenden Bereich und einen Bereich, aus dem die Endform des herzustellenden Bauteils erzeugt wird, unterteilten Platine P4 werden Umformeinrichtungen U1,U2 eingesetzt. Diese weisen jeweils einen mit einem flüssigen Wirkmedium, beispielsweise Wasser, gefüllten Behälter 1 auf. Zusätzlich sind die Umformeinrichtungen U1,U2 mit jeweils einer Halteinrichtung 2 ausgestattet, welche die jeweils vorzuformende Platine P1, P4 in ihren Randbereichen auf dem eine Öffnung des Behälters 1 umgebenden Rand halten. Auf diese Weise ist die Platine P1 bzw. P4 über der Öffnung gespannt, so daß ihre dem Behälterinneren zugeordnete Seite mit dem Wirkmedium beaufschlagt werden kann. Der Verlauf des Randes der Öffnung des Behälters 1 entspricht dabei jeweils dem Verlauf des Randes des für das Vorformen vorgesehenen Bereichs V1 bzw. V2 der jeweils verarbeiteten Platine P1,P4.
Im Unterschied zu der Umformeinrichtung U1, in der, wie in 7 am Beispiel der Platine P1 dargestellt, das Vorformen der Platine P1 ohne Gegenform erfolgt, ist die Umformeinrichtung U2 mit einer Gegenform 3 ausgestattet, die mit Abstand zur in diesem Beispiel über die Öffnung des Behälters 1 gespannten Platine P4 angeordnet ist.
Durch Erhöhung des von dem Wirkmedium ausgeübten Druckes P wird die jeweilige Platine P1 bzw. P4 im Bereich der Behälteröffnung in einer nach außen gerichteten Bewegung aufgewölbt. Dabei wird in der Umformvorrichtung U1 bis zum Ende der Vorverformung ein vollständig freies Fließen des Stahlwerkstoffes der Platine P1 zugelassen.
Demgegenüber legt sich bei der Umformeinrichtung U2 der vorverformte Bereich V2 der Platine P4 nach einer gewissen Zeit der freien Verformung an die Gegenform 3 an, so daß einem Teilabschnitt des vorverformten Bereichs V2 die Form der Gegenform 3 aufgeprägt wird. Die Geometrie und die Abmessungen des frei verformten Abschnitts V2a der Platine P4 sind dabei abhängig von der Lage der Gegenform 3 in Bezug auf die Öffnung des Behälters 1.
Nach der Vorverformung in den Umformvorrichtungen U1 oder U2 können die Platinen P1 – P4 jeweils einzeln zu dem jeweiligen Bauteil fertiggeformt werden (2). Dazu kann eine in konventioneller Weise mit einem Stempel 10 und einer Matrize 11 ausgestattete Vorrichtung F1 eingesetzt werden, wie sie beispielhaft in 9 dargestellt ist.
Alternativ kann das Fertigformen der Platinen P1 – P4 auch in einer Vorrichtung F2 durchgeführt werden, welche einen Behälter 20 für ein Wirkmedium 21, insbesondere Wasser, und eine Halteeinrichtung 22 aufweist. Durch die Halteeinrichtung 22 wird beispielsweise die vorgeformte Platine P1 in der Öffnung des Behälters 20 gehalten.
Das Fertigformen der Platine P1 erfolgt dann mittels eines Stempels 23, der in die Öffnung des Behälters 20 einführbar ist und in dessen Stirnfläche die Form des zu erzeugenden Bauteils eingeformt ist. Bei einem Arbeitshub des Stempels 23 wird die vorgeformte Platine P1 in den Behälter 20 gezogen. Dabei übt das in dem Behälter 20 enthaltene Wirkmedium einen der Kraft des Stempels 23 entgegengerichteten Stützdruck S aus, so daß die vorgeformte Platine P1 sich mit zunehmendem Hub des Stempels 23 an diesen legt und so die durch den Stempel 23 vorgegebene Form erhält.
Auch ist es möglich, zwei beispielsweise in der Vorrichtung V1 vorgeformte Platinen P2, P3 aufeinanderzulegen, so daß sie Hohlkörper H1 (5) bzw. H2 (6) bilden, welche jeweils an seiner Ober- und Unterseite einen vorgeformten Bereich V2,V3 besitzen. Dabei können die den jeweiligen Hohlkörper H1,H2 bildenden Platinen P2,P3 miteinander verschweißt werden, so daß sie eine Baueinheit bilden. Die Form der aus den derart gebildeten Hohlkörpern H1,H2 fertiggeformten Bauteilen ist in den 5 und 6 durch gestrichelte Linien angedeutet.
Die vorverformten Hohlkörper H1,H2 lassen sich besonders gut durch Beaufschlagung mit Innenhochdruck fertigformen. Dazu werden die Hohlkörper H1,H2 in einer Matrize einer geeigneten, hier nicht dargestellten Vorrichtung positioniert und mit einem fließfähigem Wirkmedium, beispielsweise Wasser, befällt. Anschließend wird das Wirkmedium mit Druck beaufschlagt, so daß sich das Blechmaterial des jeweiligen Hohlkörpers H1, H2 weitet, bis es vollständig an den Wandungen der Matrize anliegt.

1: Behälter,
2: Halteinrichtung,
3: Gegenform,
10: Stempel,
11: Matrize,
20: Behälter,
21: Wirkmedium,
22: Halteeinrichtung,
23: Stempel,
F1, F2: Vorrichtung zum Fertigformen,
B1,B2: Bereich, aus dem jeweils das fertigverformte
: Bauteil erzeugt wird,
H1,H2: Hohlkörper,
P: Druck,
P1, P2, P3, P4: Platinen,
S: Stützdruck,
U1,U2: Umformeinrichtungen,
V1,V2,V3: Bereich, in dem jeweils die Vorverformung der
: Platinen P1,P2 vorgenommen wird,
V2a: frei verformter Abschnitt der Platine P4,

Claims

Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus einer aus einem tiefziehfähigen Material, insbesondere Stahl, bestehenden Platine (P1 – P4) unter Verwendung eines fließfähigen Wirkmediums, bei dem folgende Schritte durchlaufen werden: – Spannen der Platine (P1 – P4) in einer Umformeinrichtung (U1,U2), in welcher die Platine (P1 – P4) mit dem Wirkmedium beaufschlagt wird; – Vorformen der Platine (P1 – P4) durch Erhöhen des von dem Wirkmedium ausgeübten Drucks (P) in einem Bereich der Platine (P1 – P4), welcher auf einen Teilabschnitt (V1,V2) der Platinenfläche beschränkt ist und den Flächenabschnitt (B1,B2) der Platine (P1 – P4), aus dem die Endform des Bauteils erzeugt wird, teilweise überdeckt, sowie – Fertigformen der vorgeformten Platine (P1 – P4) mittels eines Formwerkzeugs (F1,F2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platine (P1 – P4) ohne Gegenform vorgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platine (P1 – P4) mit einer Gegenform (3) vorgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgeformte Bereich (V1,V2) der Platine (P1 – P4) am Ende der Vorverformung abschnittsweise an der Gegenform (3) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgeformte Bereich der Platine (P1 – P4) am Ende der Vorverformung vollständig an der Gegenform (3) anliegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformung der vorgeformten Platine (P1 – P4) zur Endform des Bauteils gegen einen von einem Wirkmedium ausgeübten Stützdruck (S) erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Vorformen mindestens zwei Platinen (P1 – P4) miteinander verbunden werden und daß die Platinen (P1 – P4) gemeinsam zu einer Endform fertiggeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorformen stoff-, kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Vorformen mindestens zwei Platinen (P1 – P4) lose aufeinander gelegt werden und daß die Platinen (P1 – P4) gemeinsam zu einer Endform fertiggeformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Platinen (P1 – P4) ein Hohlraum vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum während der Fertigverformung der Platinen (P1 – P4) zur Endform mit hohem Druck beaufschlagt wird.